JP2010256254A - 電磁波検出装置、それを備えた加熱装置および冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却に伴う大気自体も低湿度化を考慮し、物質中の氷および水の判断をより正確にし、これによって省エネルギーを達成することができる電磁波検出装置を提供する。
【解決手段】水分子を含有する対象物へ向けて複数の異なる周波数のテラヘルツ波を放射するテラヘルツ波放射素子１０４および１０５と、対象物から戻る、または、対象物を透過する、複数の異なる周波数を有するテラヘルツ波を波長ごとに検出するテラヘルツ波検出素子１０６および１０７とを備え、複数の異なる周波数のテラヘルツ波には、当該テラヘルツ波に対する水の吸収係数が氷の吸収係数より大きな値を有する第１のテラヘルツ波と、当該テラヘルツ波に対する水の吸収係数と氷の吸収係数とがほぼ等しい値を有する第２のテラヘルツ波とが含まれる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁波検出装置、とりわけテラヘルツ（ＴＨｚ）波を応用した装置に関するものである。

周波数がテラヘルツ領域（一般に０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚ）である電磁波は、光と電波の境界領域に属し、電波のもつ透過性と光のもつ直進性を有する。また、この領域の電磁波は、物質に固有の吸収スペクトルを多数有する。それゆえ、例えば、封筒中の郵便物検査、食品・所持物検査、薬物分析、皮膚がん検査、半導体不純物量検査／複素誘電率評価などの医学応用、環境計測、工学応用など多数の産業用途が期待されており、近年、その研究開発が活発に行われている。

このテラヘルツ波の特徴として、水と氷を分別できることがある。Ｈ₂Ｏ分子は回転の自由度があるため、回転エネルギーに相当する電磁波が入射されると、Ｈ₂Ｏ分子が回転しその電磁波が吸収される。この周波数帯はマイクロ波からＴＨｚ帯に存在する。このため、Ｈ₂Ｏの気体状態（水蒸気）や液体状態（水）は、マイクロ波からＴＨｚ波をよく吸収する。一方、固体（氷）になると、Ｈ₂Ｏ分子は回転が困難になる。この結果、マイクロ波からＴＨｚ波の吸収が減ってしまう。この結果、電磁波の透過率または減衰率を測定することにより、Ｈ₂Ｏが水なのか、氷なのかを判断することができる。

一方、ほとんどの家庭にある冷蔵庫には製氷室が設けられている。製氷室の温度は、Ｈ₂Ｏが氷状態であるような温度設定にすればよい。ところが、実際の冷蔵庫では、製氷皿の水が凍っているか判断できないため、過剰な低温まで冷却されている。また、近年、急速冷凍機能を有する冷蔵庫が存在するが、これも食品を急速に凍らすために過剰に冷却している。この過剰冷却のため、冷蔵庫の消費電力は約２０％もアップしてしまう。このため、水か氷かを判断することが省エネの観点から必要とされていた。

そこで、水か氷かを判断する様々な技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に係る従来技術を図７に示す。この技術においては、食品、ＤＮＡサンプルなどの水分の凍結状態を正確に測定することを目的になされている。水分を含む水分含有物１２ｃが、冷凍装置１２ｂを有するチャンバー１２ａ内に置かれている。この水分含有物に、波長０．１〜１００ｍｍ（周波数３ＧＨｚ〜３ＴＨｚ）の電磁波をミリ波照射装置１４ａから照射する。このミリ波照射装置には指向性を改善するためにホーンアンテナ１４ｂが付けられている。水分含有物１２ｃを通過した電磁波は第２のホーンアンテナ１６ａで集められミリ波検出装置１６ｂで検出される。この技術によれば、Ｈ₂Ｏの電磁波吸収特性（周波数依存性）は図８のようになる。この図からわかるように、波長０．１〜１００ｍｍ（周波数３ＧＨｚ〜３ＴＨｚ）では、吸収係数が水の状態と氷の状態で２〜５桁も変化する。この結果、水分含有物１２ｃを通過する電磁波強度が変化する。よって、ミリ波照射出力と検出出力から水分含有量を演算し水または氷を判断することができる（相変化検出装置１８）。なお、冷解凍制御装置２０により冷凍装置１２ｂが制御される。

特開２００６−１７４１８号公報

ところが、実際の冷凍装置においては、大気中で冷凍を行うため、大気中の水蒸気による電磁波吸収が存在する。しかも、一般に冷却によって大気自体も低湿度化するため、冷却にともない大気による電磁波吸収も低下する。このため、検出器出力が低下した場合、大気中の水蒸気が減少したために生じた減衰なのか、水分含有物中のＨ₂Ｏが水から氷にかわったためか、判断することが困難であり、正確に氷の状態と判断することができない。そのため、結局は過剰冷却をすることが必要であり、省エネルギーに結びつけることは困難である。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、氷／水の判断をより正確にし、これによって省エネルギーを達成することができる電磁波検出装置、それを備えた加熱装置および冷凍装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の電磁波検出装置は、水分子を含有する対象物へ向けて複数の異なる周波数のテラヘルツ波を放射するテラヘルツ波放射素子と、前記対象物から戻る、または、前記対象物を透過する、前記複数の異なる周波数を有するテラヘルツ波を波長ごとに検出するテラヘルツ波検出素子とを備え、前記複数の異なる周波数のテラヘルツ波には、当該テラヘルツ波に対する水の吸収係数が氷の吸収係数より大きな値を有する第１のテラヘルツ波と、当該テラヘルツ波に対する水の吸収係数と氷の吸収係数とがほぼ等しい値を有する第２のテラヘルツ波とが含まれる。

この構成により、複数の周波数の電磁波を用いることにより、相変化を検出する信号の精度を向上させることができる。

ここで、前記第１のテラヘルツ波の周波数は、約３ＴＨｚ以下、または、約８ＴＨｚ以上約２０ＴＨｚ以下の周波数帯より選ばれる周波数であり、前記第２のテラヘルツ波の周波数は、約４ＴＨｚ以上約８ＴＨｚ以下の周波数帯より選ばれる周波数であることが好ましい。この好ましい構成によれば、水の吸収係数と氷の吸収係数とが異なる３ＴＨｚ以下、または約８ＴＨｚ以上約２０ＴＨｚ以下の周波数帯より選ばれる周波数の信号と、水の吸収係数と氷の吸収係数とがほぼ等しい約４ＴＨｚ以上約８ＴＨｚ以下の周波数帯より選ばれる周波数の信号との差分を取ることができ、水と氷との相の違いを効率よく検出することができる。

また、前記テラヘルツ波検出素子は、前記第１のテラヘルツ波に対応する第１の信号と、前記第２のテラヘルツ波に対応する第２の信号とを出力し、さらに前記第１の信号と前記第２の信号との差分を出力する差分回路を備えることが好ましい。

また、前記テラヘルツ波検出素子および前記差分回路は、一つの基板上に形成されていることが好ましい。この好ましい構成によれば、これらの構成要素の実装が同一基板であるため、小型、低価格化でき、また、アセンブリが容易になる。

また、前記テラヘルツ波放射素子を駆動する駆動回路をさらに備え、前記テラヘルツ波放射素子と前記駆動回路とは、一つの基板上に形成されていることが好ましい。この好ましい構成によれば、これらの構成要素の実装位置が同一基板であるため、小型、低価格化でき、また、アセンブリが容易になる。

また、前記テラヘルツ波放射素子は、レゾナントトンネルダイオード、量子カスケードレーザまたは電界効果トランジスタであることが好ましい。

また、前記テラヘルツ波放射素子または前記テラヘルツ波検出素子は、ＩＩＩ族窒化物半導体で構成されていることが好ましい。

なお、本発明は、電磁波検出装置を備えた加熱装置であって、前記電磁波検出装置は、水分子を含有する対象物へ向けて複数の異なる周波数のテラヘルツ波を放射するテラヘルツ波放射素子と、前記対象物から戻る、または、前記対象物を透過する、前記複数の異なる周波数を有するテラヘルツ波を波長ごとに検出するテラヘルツ波検出素子とを備え、前記複数の異なる周波数のテラヘルツ波には、当該テラヘルツ波に対する水の吸収係数が氷の吸収係数より大きな値を有する第１のテラヘルツ波と、当該テラヘルツ波に対する水の吸収係数と氷の吸収係数とがほぼ等しい値を有する第２のテラヘルツ波とが含まれる加熱装置として実現することもできる。

また、本発明は、電磁波検出装置を備えた冷凍装置であって、前記電磁波検出装置は、水分子を含有する対象物へ向けて複数の異なる周波数のテラヘルツ波を放射するテラヘルツ波放射素子と、前記対象物から戻る、または、前記対象物を透過する、前記複数の異なる周波数を有するテラヘルツ波を波長ごとに検出するテラヘルツ波検出素子とを備え、前記複数の異なる周波数のテラヘルツ波には、当該テラヘルツ波に対する水の吸収係数が氷の吸収係数より大きな値を有する第１のテラヘルツ波と、当該テラヘルツ波に対する水の吸収係数と氷の吸収係数とがほぼ等しい値を有する第２のテラヘルツ波とが含まれる冷凍装置として実現することもできる。

本発明により、水／氷の判断が正確になり、それを用いた加熱冷却装置の省エネルギー化を実現することができる。

本発明における第１の実施形態に係る電磁波検出装置を示す模式図 同電磁波検出装置における出力データを示す模式図 同第２の実施形態に係る電磁波検出装置を示す模式図 同第３の実施形態に係る電磁波検出装置を示す模式図 同第４の実施形態に係る電磁波検出装置を示す模式図 同第５の実施形態に係る電磁波検出装置を示す模式図 従来の電磁波検出装置を示す模式図 氷と水の吸収係数の波長（周波数）依存性を示す図

以下、実施の形態を用いて本発明をさらに具体的に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態における電磁波検出装置の構成を示すブロック図である。この電磁波検出装置は、水分子を含有する対象物へ向けて複数の異なる周波数のテラヘルツ波を放射するテラヘルツ波放射素子１０４および１０５と、対象物（被測定物１０１）から戻る、または、対象物を透過する、複数の異なる周波数を有するテラヘルツ波を波長ごとに検出するテラヘルツ波検出素子１０６および１０７とを備え、それら複数の異なる周波数のテラヘルツ波には、当該テラヘルツ波に対する水の吸収係数が氷の吸収係数より大きな値を有する第１のテラヘルツ波（１ＴＨｚの電磁波１１０）と、当該テラヘルツ波に対する水の吸収係数と氷の吸収係数とがほぼ等しい値を有する第２のテラヘルツ波（７ＴＨｚの電磁波１１１）とが含まれることを特徴とする本発明に係る電磁波検出装置の一例である。

より、具体的には、本発明の第１の実施形態に係る電磁波検出装置は、図１に示すように、水分を含む被測定物１０１がチャンバー１０２の中にある。このチャンバー１０２には、冷凍装置１０３が取り付けられている。また、測定波として１ＴＨｚの電磁波１１０を放射する第１の放射素子１０４、参照波として７ＴＨｚの電磁波１１１を放射する第２の放射素子１０５、１ＴＨｚの電磁波を検出する第１の検出素子１０６、７ＴＨｚの電磁波を検出する第２の検出素子１０７が備えられている。第１の放射素子１０４からの電磁波１１０は、被測定物１０１を透過し、第１の検出素子１０６に入力される配置になっている。同様に、第２の放射素子１０５からの電磁波１１１は、被測定物１０１を透過し、第２の検出素子１０７に入力される配置になっている。図１の配置では、電磁波１１０と電磁波１１１が異なる場所を通過するが、同一点を測定するために、測定点でほぼ交差する配置としてもよい。放射素子１０４、１０５には、発振制御回路１１２が接続されている。同様に、検出素子１０６、１０７には差分回路１１３が接続されている。検出素子１０６および１０７の差分を出力する差分回路１１３の出力は制御回路１１４に接続されている。制御回路１１４では、差分回路１１３からの差分出力に応じて、被測定物１０１が氷か、または水かを判断する。水の状態と判断すれば、冷凍装置１０３により冷却を加える。

なお、本実施形態において１ＴＨｚと７ＴＨｚの電磁波を用いているのは、テラヘルツ波に対する水の吸収係数が氷の吸収係数より大きな値を有する第１のテラヘルツ波（その周波数は、図８から分かるように、約３ＴＨｚ以下、または、約８ＴＨｚ以上約２０ＴＨｚ以下）と、テラヘルツ波に対する水の吸収係数と氷の吸収係数とがほぼ等しい値を有する第２のテラヘルツ波（その周波数は、図８から分かるように、約４ＴＨｚ以上約８ＴＨｚ以下）とを同時に用いることで、氷／水の判断をするためである。ここで、第１の放射素子１０４にはＩｎＧａＡｓ系のレゾナントトンネルダイオード（Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｔｕｎｎｅｌ Ｄｉｏｄｅ、ＲＴＤ）を、第２の放射素子１０５にはＧａＮ系の量子カスケードレーザ（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃａｓｃａｄｅ Ｌａｓｅｒ、ＱＣＬ）を用いた。また検出素子１０６および１０７としては、１ＴＨｚおよび７ＴＨｚそれぞれに最適化されたプラズマ波で動作する、ＩＩＩ族窒化物半導体材料、とりわけＧａＮ系材料よりなる電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を用いている。

出力信号の一例を表すグラフを図２に示す。図２に示すグラフは、横軸が製氷開始時からの時間、縦軸は第１および第２の検出素子１０６、１０７が検出するＴＨｚ波の出力であり、第１および第２の放射素子１０４、１０５のそれぞれが放射するテラヘルツ波の出力で規格化した値である。

図２のグラフによれば、製氷開始時からの時間経過とともに、雰囲気温度が下がり、雰囲気に含まれる水蒸気が減少するので、７ＴＨｚ帯、１ＴＨｚ帯の透過量（＝信号出力）が増加している。一方、テラヘルツ波の透過量が増加する割合（時間に対する変化率）は、７ＴＨｚ帯より１ＴＨｚ帯のほうが大きい。この理由は、１ＴＨｚ帯は雰囲気水蒸気による吸収のみならず、被測定物に含まれる水分が、水状態のときは吸収が大きく、氷になると吸収が減る効果が重畳されるためである。このように、それぞれ異なる周波数を有する複数のテラヘルツ波を、水分を含む被測定物１０１に照射して検出することにより、被測定物１０１に含まれる水分の状態を知ることができる。具体的には、制御回路１１４は、水の吸収係数が氷の吸収係数より大きな値を有する第１のテラヘルツ波（１ＴＨｚ帯）の透過量から、当該テラヘルツ波に対する水の吸収係数と氷の吸収係数とがほぼ等しい値を有する第２のテラヘルツ波（７ＴＨｚ）の透過量を差し引いた差分（差分回路１１３からの出力）を監視し、その差分が正の値である場合に、被測定物１０１が氷の状態であると判断し、その差分が負の値である場合に、被測定物１０１が水の状態であると判断することができる。

なお、第１の放射素子１０４として１ＴＨｚの電磁波を放射するものを使用したが、それに限らず、図８の吸収係数の波長（周波数）依存性を示すグラフより明らかなように、水および氷の吸収係数に大きな差のある、３ＴＨｚ以下、または、約８ＴＨｚ以上約２０ＴＨｚ以下の周波数の電磁波を放射するものであれば同様の効果が得られる。

また、参照波として７ＴＨｚの電磁波を放射する第２の放射素子１０５を採用したが、第２の放射素子１０５として、図８の氷と水の吸収係数の波長（周波数）依存性を示すグラフより明らかなように、水および氷の吸収係数がほぼ等しい、約４〜８ＴＨｚのテラヘルツ波を放射する放射素子を用いても同様な効果が得られる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る電磁波検出装置を図３に示す。この電磁波検出装置は、水分子を含有する対象物へ向けて複数の異なる周波数のテラヘルツ波を放射するテラヘルツ波放射素子２０１および２０２と、対象物（被測定物１０１）から戻る、または、対象物を透過する、複数の異なる周波数を有するテラヘルツ波を波長ごとに検出するテラヘルツ波検出素子２０４および２０５とを備え、それら複数の異なる周波数のテラヘルツ波には、当該テラヘルツ波に対する水の吸収係数が氷の吸収係数より大きな値を有する第１のテラヘルツ波（１２ＴＨｚの電磁波１１０）と、当該テラヘルツ波に対する水の吸収係数と氷の吸収係数とがほぼ等しい値を有する第２のテラヘルツ波（７ＴＨｚの電磁波１１１）とが含まれることを特徴とする本発明に係る電磁波検出装置の一例である。

つまり、この電磁波検出装置は、基本構成としては、第１の実施形態に係る電磁波検出装置と同じであるが、１２ＴＨｚ電磁波２０６と７ＴＨｚ電磁波１１１とを放射する、それぞれ、第１および第２の放射素子２０１、２０２が同一基板２００上に形成されている点が第１の実施形態に係る電磁波検出装置と異なる点である。

なお、本実施形態において１２ＴＨｚと７ＴＨｚの電磁波を用いているのは、テラヘルツ波に対する水の吸収係数が氷の吸収係数より大きな値を有する第１のテラヘルツ波（その周波数は、図８から分かるように、約３ＴＨｚ以下、または、約８ＴＨｚ以上約２０ＴＨｚ以下）と、テラヘルツ波に対する水の吸収係数と氷の吸収係数とがほぼ等しい値を有する第２のテラヘルツ波（その周波数は、図８から分かるように、約４ＴＨｚ以上約８ＴＨｚ以下）とを同時に用いることで、氷／水の判断をすることができるからである。

図８の氷と水の吸収係数の波長（周波数）依存性を示すグラフからわかるように、１２ＴＨｚでも、氷と水で吸収係数が異なり、Ｈ₂Ｏの状態を判断することができる。今回は、ひとつのサファイア基板２００上に、２回の結晶成長を用いて、１２ＴＨｚ帯で発振するＧａＮ−ＱＣＬ層構造と７ＴＨｚ帯で発振するＧａＮ−ＱＣＬ層構造を並べた。検出素子２０４、２０５は、ひとつのサファイア基板２０３上に集積された、それぞれ、ゲート長が相異なる２つのＦＥＴである。このＦＥＴ（検出素子２０４、２０５）の検出周波数は、ゲート印加電圧を調整することにより１２ＴＨｚと７ＴＨｚに調整している。

ここで、ＦＥＴの検出周波数としてゲート印加電圧を調整することにより１２ＴＨｚと７ＴＨｚに調整できることを説明する。

ＦＥＴのプラズマ共鳴を用いたＴＨｚ検出において、検出周波数はプラズマ共鳴周波数に等しい。その共鳴周波数（ｆ）は次式で与えられる（詳細は下記非特許文献１を参照）。

ｆ＝｛ｓ／４Ｌ｝＊（２ｎ−１） （式１）

ここでｎ＝１，２，３・・・・であり、ＬはＦＥＴのゲート長である。また、ｓはプラズマ波の速度で
ｓ＝√｛ｅ（Ｕｇｓ−Ｕｔｈ）／ｍ｝ （式２）
で与えられる。ここでｅは電子素量、ｍは電子有効質量、Ｕｇｓはゲート電圧、Ｕｔｈは閾値電圧である。なお、記号「＊」は乗算を表し、「√」は次に続く括弧内の式の平方根を表す。

式１と式２から判るように、ゲート電圧を変えること、および、その奇数次高調波（ｎ＝２，３・・）を用いることにより、任意の周波数を選択的に検出することが可能となる。例えば、
ｍ＝０．１８＊９．１０９×１０^―31ｋｇ
Ｕｇｓ＝＋１．２Ｖ
Ｕｔｈ＝−４Ｖ
ｅ＝１．６０２×１０^―19Ｃ
Ｌ＝０．０８μｍ
ととると、
ｆ＝７＊（２ｎ−１） ［ＴＨｚ］
となり、ｆ＝７ＴＨｚに対しては、ひとつのＦＥＴは基本周波数（ｎ＝１）で検出できる（このＦＥＴは基本周波数の奇数倍、すなわち、７、２１、３５・・ＴＨｚを受信する）。

また、もうひとつのＦＥＴは、Ｕｇｓ＝−２．３２Ｖと設定することにより
ｆ＝４＊（２ｎ−１） ［ＴＨｚ］
となり、基本周波数は４ＴＨｚとなる（このＦＥＴは基本周波数の奇数倍、すなわち、４、１２、２０・・・ＴＨｚを受信する）。ｆ＝１２ＴＨｚに対して３次高調波で検出できる。このように、二つのＦＥＴの基本周波数を異ならせることにより、互いに混信することなく、それぞれの信号を検出できる。ここでは、同じ構造の二つのＦＥＴに対して、異なるゲート電圧を印加することにより基本周波数を相異なるようにさせたが、異なる構造（例えば、ゲート長を変えること）により、基本周波数を相異なるようにさせることもできる。

ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ， ｖｏｌ．４３， ｐ．３８０ （１９９６）

この実施の形態に示した電磁波検出装置は、２つの電磁波放射素子および２つの電磁波検出素子が、それぞれ、同一基板上に構成されていることにより、出射点、出射方向や検出点、検出方向をほぼ同じにすることができる。この結果、同一点を測定することになり、測定精度を向上させることができる。

なお、ここで第１の放射素子２０１として１２ＴＨｚの波長を有するものを採用したが、それに限らず、図８に示すように水と氷との吸収係数の差が大きい周波数領域すなわち約８ＴＨｚ以上約２０ＴＨｚ以下の周波数領域のテラヘルツ波を放射する放射素子を用いても同様の効果が得られる。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る電磁波検出装置を図４に示す。

基本構成は第２の実施形態に係る電磁波検出装置と機能および構成が同じであるが、電磁波放射素子２０１、２０２は、その素子の駆動回路２５１とともに、ひとつの基板２５０に形成されている（ここでは、放射素子２０１、２０２はＧａＮ−ＱＣＬをＧａＮ基板２５０上に形成されており、そのＧａＮ基板２５０上の駆動回路２５１とともに集積化されている）点が第２の実施形態に係る電磁波検出装置とは異なる点である。同様に電磁波検出素子２０４、２０５は、その差分回路２５３とともに、ひとつの基板２５２に形成されている（ここでは、検出素子２０４、２０５はＧａＮ−ＦＥＴをＧａＮ基板２５２上に形成されており、つまり、そのＧａＮ基板２５２上に検出回路が集積されている）点が第２の実施形態に係る電磁波検出装置とは異なる点である。これにより、放射部分または検出部分を小型化することができる。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態に係る電磁波検出装置を図５に示す。基本構成は第１の実施形態に係る電磁波検出装置と機能および構成が同じであるが、テラヘルツ放射素子として、１個のプラズマ波ＦＥＴ２７０を用いている。この実施形態においては、プラズマ波ＦＥＴ２７０として、ＧａＮ−ＦＥＴを用いており、ブロードなスペクトルを有する電磁波２７１を放射可能である。例えば、ゲート電圧を−１．１Ｖ、ゲート長を０．１５μｍとすると、１〜７ＴＨｚにわたるスペクトルを有する電磁波２７１が得られる。

この放射したスペクトルを、２つのＧａＮ−ＦＥＴ（検出素子）１０６、１０７のバイアス条件およびゲート長を調整することにより、１ＴＨｚと７ＴＨｚの信号を取り出している。この場合、エミッタ素子がひとつになることにより小型化が可能である。

（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態に係る電磁波検出装置を図６に示す。基本構成は第１の実施形態に係る電磁波検出装置と機能および構成が同じであるが、今回は氷を含む氷含有物３００を解凍する装置である。この場合、解凍とともに水蒸気が氷含有物から発生する。この水蒸気が測定のノイズ源となる。そこで１ＴＨｚの電磁波１１０と７ＴＨｚの電磁波１１１を用いて、制御回路１１４は、氷含有物３００に氷があるかどうかを調べ、その結果を加熱装置３０１にフィードバックする。

なお、本実施形態においては、加熱装置の代わりに冷凍装置に対し適用しても同様の効果が得られる。

以上、本発明に係る電磁波検出装置、それを備えた加熱装置および冷凍装置について、第１〜第５の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではない。本発明の主旨を逸脱しない範囲で、実施形態に対して各種変形を施して得られる形態や、各実施形態における構成要素を任意に組み合わせて実現される形態も、本発明に含まれる。

たとえば、上記第１〜第５の実施の形態において、図面にはレンズなどの光学系を描いていないが、光学系があっても同様な結果が得られる。

また、ここで扱う装置は、冷蔵庫、冷凍庫、電子レンジ、オーブンなどに適用可能であることはいうまでもない。

本発明は、電磁波検出装置、それを備えた加熱装置および冷凍装置として、特に、高精度に氷・水の判断ができ、冷凍機または解凍器の制御を正確に行うことができる加熱装置および冷凍装置として、例えば、冷蔵庫、冷凍庫、電子レンジ、オーブンとして利用でき、産業上の利用価値は高い。

１０１ 被測定物
１０２ チャンバー
１０３ 冷凍装置
１０４ １ＴＨｚの電磁波を放射する素子
１０５ ７ＴＨｚの電磁波を放射する素子
１０６ １ＴＨｚの電磁波を検出する素子
１０７ ７ＴＨｚの電磁波を検出する素子
１１０ １ＴＨｚ電磁波
１１１ ７ＴＨｚ電磁波
１１２ 発振制御回路
１１３ 差分回路
１１４ 制御回路
２００ 基板
２０１ １２ＴＨｚ電磁波を放射する素子
２０２ ７ＴＨｚ電磁波を放射する素子
２０３ 基板
２０４ １２ＴＨｚ電磁波を検出する素子
２０５ ７ＴＨｚ電磁波を検出する素子
２５０ 基板
２５１ 駆動回路
２５２ 基板
２５３ 差分回路
２７０ 広帯域の電磁波を放射する素子（ＦＥＴ）
２７１ 広帯域の電磁波
３００ 氷含有物
３０１ 加熱装置

Claims (9)

1. 水分子を含有する対象物へ向けて複数の異なる周波数のテラヘルツ波を放射するテラヘルツ波放射素子と、
   前記対象物から戻る、または、前記対象物を透過する、前記複数の異なる周波数を有するテラヘルツ波を波長ごとに検出するテラヘルツ波検出素子とを備え、
   前記複数の異なる周波数のテラヘルツ波には、当該テラヘルツ波に対する水の吸収係数が氷の吸収係数より大きな値を有する第１のテラヘルツ波と、当該テラヘルツ波に対する水の吸収係数と氷の吸収係数とがほぼ等しい値を有する第２のテラヘルツ波とが含まれることを特徴とする電磁波検出装置。
2. 前記第１のテラヘルツ波の周波数は、約３ＴＨｚ以下、または、約８ＴＨｚ以上約２０ＴＨｚ以下の周波数帯より選ばれる周波数であり、
   前記第２のテラヘルツ波の周波数は、約４ＴＨｚ以上約８ＴＨｚ以下の周波数帯より選ばれる周波数であることを特徴とする請求項１記載の電磁波検出装置。
3. 前記テラヘルツ波検出素子は、前記第１のテラヘルツ波に対応する第１の信号と、前記第２のテラヘルツ波に対応する第２の信号とを出力し、さらに前記第１の信号と前記第２の信号との差分を出力する差分回路を備えることを特徴とする請求項１記載の電磁波検出装置。
4. 前記テラヘルツ波検出素子および前記差分回路は、一つの基板上に形成されていることを特徴とする請求項３記載の電磁波検出装置。
5. 前記テラヘルツ波放射素子を駆動する駆動回路をさらに備え、
   前記テラヘルツ波放射素子と前記駆動回路とは、一つの基板上に形成されていることを特徴とする請求項１記載の電磁波検出装置。
6. 前記テラヘルツ波放射素子は、レゾナントトンネルダイオード、量子カスケードレーザまたは電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項１に記載の電磁波検出装置。
7. 前記テラヘルツ波放射素子または前記テラヘルツ波検出素子は、ＩＩＩ族窒化物半導体で構成されていることを特徴とする請求項１記載の電磁波検出装置。
8. 電磁波検出装置を備えた加熱装置であって、
   前記電磁波検出装置は、水分子を含有する対象物へ向けて複数の異なる周波数のテラヘルツ波を放射するテラヘルツ波放射素子と、前記対象物から戻る、または、前記対象物を透過する、前記複数の異なる周波数を有するテラヘルツ波を波長ごとに検出するテラヘルツ波検出素子とを備え、
   前記複数の異なる周波数のテラヘルツ波には、当該テラヘルツ波に対する水の吸収係数が氷の吸収係数より大きな値を有する第１のテラヘルツ波と、当該テラヘルツ波に対する水の吸収係数と氷の吸収係数とがほぼ等しい値を有する第２のテラヘルツ波とが含まれることを特徴とする加熱装置。
9. 電磁波検出装置を備えた冷凍装置であって、
   前記電磁波検出装置は、水分子を含有する対象物へ向けて複数の異なる周波数のテラヘルツ波を放射するテラヘルツ波放射素子と、前記対象物から戻る、または、前記対象物を透過する、前記複数の異なる周波数を有するテラヘルツ波を波長ごとに検出するテラヘルツ波検出素子とを備え、
   前記複数の異なる周波数のテラヘルツ波には、当該テラヘルツ波に対する水の吸収係数が氷の吸収係数より大きな値を有する第１のテラヘルツ波と、当該テラヘルツ波に対する水の吸収係数と氷の吸収係数とがほぼ等しい値を有する第２のテラヘルツ波とが含まれることを特徴とする冷凍装置。

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